KR20160105791A - 고벌크 유합 필터 매개물 및 이의 사용 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 적어도 하나의 오염물질을 유합함으로써 적어도 하나의 액체 오염물질 및 운반체를 포함하는 유체를 정화하기 위한 유합 필터에 관한 것으로, 상기 유합 필터는 상기 유합 필터 내에 존재하는 필터 엘리먼트로 상기 유체를 공급하기 위한 입구를 포함하고, 상기 필터 엘리먼트는 1차 유합 매개물을 포함하고, 상기 1차 유합 매개물은 상기 1차 유합 매개물을 통하여 상기 유체가 이동하는 동안 상기 1차 유합 매개물 내에 상기 적어도 하나의 오염물질을 유합하기 위하여 마련되고, 상기 유합 필터는 상기 필터 엘리먼트로부터 유합된 오염물질을 방출하기 위한 출구를 더 포함하고, 상기 1차 유합 매개물은 다공성 물질의 적어도 하나의 층을 포함하고, 상기 1차 유합 매개물은 적어도 3.5 mm의 총 두께를 구비한다.

Description

고벌크 유합 필터 매개물 및 이의 사용{HIGH BULK COALESCING FILTER MEDIA AND USE THEREOF}
본 발명은 적어도 하나의 오염물질을 유합함으로써 적어도 하나의 액체 오염물질 및 운반체를 포함하는 유체를 정화하기 위한 유합 필터에 관한 것으로, 유합 필터는 유합 필터 내에 존재하는 필터 엘리먼트로 유체를 공급하기 위한 입구를 포함하고, 필터 엘리먼트는 1차 유합 매개물(primary coalescence medium)을 포함하고, 1차 유합 매개물은 1차 유합 매개물을 통하여 유체가 이동하는 동안 1차 유합 매개물 내에 적어도 하나의 오염물질을 유합하기 위하여 마련되고, 유합 필터는 필터 엘리먼트로부터 유합된 오염물질을 방출하기 위한 출구를 더 포함하고, 1차 유합 매개물은, 제1 청구항의 미리 특징짓는 부분에 따라, 다공성 물질의 적어도 하나의 층(layer)을 포함한다.
두 개의 혼합되지 않는 상(phase)들, 연속상 및 분산상의 혼합으로부터 분산상을 유합하기 위한 유합 필터들의 사용은 그 자체로는 알려져 있다. 실용적인 적용예들은, 공기 컴프레서들 및 크랭크실(crankcase)들로부터 나오는 압축 공기로부터 기름 에어로졸 방울들을 분리하는 것, 연료-물 시스템들에서 연속상으로서 연료로부터 분산상으로서 물을 분리하는 것, 또는 연속상으로서 물과 함께 물-기름 시스템으로부터 분산상으로서 기름을 분리하는 것을 포함한다.
유합은 유합 매개물에 의하여 유도되고, 유합 매개물은 하나 이상의 다공성, 섬유 기판들의 복수의 층들을 전형적으로 포함하고, 상기 기판들은 습윤성(친유성 또는 친유체성 또는 흡수성) 또는 비습윤성(내유성 또는 유체 반발성)일 수 있다. 섬유 물질은 분산상의 집성(aggregation) 또는 유합을 유도하는 표면을 구비한다. 방울들을 구비한 분산상의 분상 유체(disperse fluid)는, 유합 매개물, 예를 들어 기름으로 오염된 공기를 통하여 유체의 연속상 또는 운반체에 의하여 이동된다. 분산상은 유합 매개물의 섬유들 상에 제1 층들에 이미 종종 유합한다. 유체가 연속적으로 계속적으로 공급하면서, 방울들은 더 큰 방울들로 성장한다. 방울들은 필터를 통하여 공기 유동과 함께 운반되고, 방울들이 더 이상 유합 매개물의 섬유들에 달라붙지 않는 크기에 도달하면, 전형적으로 중력의 영향 하에서 필터를 나간다. 몇몇 시간 동안 사용한 후에, 필터는 정상 상태 조건에 보통 도달하고, 상기 정상 상태 조건에서 유합 매개물에서 유체 방울들의 분산상의 축적율은 필터로부터 배수율에 상응한다. 유합된 방울들은 5 내지 500 ㎛의 방울 직경을 전형적으로 구비한다.
유합 필터들을 제조하기 위하여, 다양한 종류의 물질들, 예를 들어 유기성 및 비유기성 섬유 또는 다공성 물질들이 사용된다. 상기 물질들은 다양한 형태들, 예를 들어 동종, 이종, 층이 진 또는 주름진 또는 둥글게 말린 물질들, 합성물, 합판들 및 이들의 조합들로 이용 가능하다. 유합 필터로서 사용하기에 적합한 형태들은 전형적으로 웹(web), 옷감(cloth), 실린더, 큐브 또는 다른 간단하거나 복잡한 기하학적 형상이다. 필터 물질의 분리 능력은 필터 또는 유합 매개물에서 섬유들의 방향 및 구성, 실용적인 조건들 하에서 필터 물질의 수율, (연속상) 운반체에서 (분산상) 오염물질들의 농도, 필터 물질이 지배 받는 압력, 및 필터가 시간에 따라 노출되는 연속상의 용적에 의존한다.
유합 필터 유닛의 분리력을 개선하기 위하여, 그 중에서도 유합 매개물에서 복잡한 섬유 구조들 또는 다공성 구조들의 사용에 의하여 수 많은 시도들이 착수되었다.
US 8114183은 혼합될 수 없는 연속상 및 분산상을 분리하기 위한 유합 필터를 개시한다. 유합 필터는 중력 방향으로 지향된 복수의 섬유들을 포함하는 유합 매개물을 구비한 축 방향으로 연장하는 유합 엘리먼트를 포함한다. 유합 엘리먼트의 주변을 따라 접하며 연장하는 유합 매개물의 섬유들의 결과로, 유동 저항이 감소되고 바닥 부분에서 출구에 대한 배수는 촉진된다. 유합 엘리먼트는 내부 캐비티와 함께 폐쇄 루프의 형태로 그 축에 가로지르는 방향으로 단면을 구비한다. 가장 높은 가능한 배수 압력을 실현하기 위하여, 수직 치수는 가능한한 크고 유합 엘리먼트의 가로지르는 치수들은 바닥 부분을 향하여 감소한다. US 8114183은, 초기의, 개방된, 덜 제한적인 층들에서, 유합 엘리먼트의 폐색(occlusion)을 야기할 수 있는, 더 큰 치수들의 오염물질들을 포획할 목적으로, 유합 엘리먼트의 중앙을 향하여 감소하는 유합 엘리먼트의 평균 섬유 직경 및/또는 다공성(porosity)을 구비하는 것을 더 개시한다.
US 8409448로부터, 다양한 소수성 및 친수성 표면 특성들을 구비하는 섬유들의 블렌드(blend)로부터 설치되기 위하여, 각각, 연속적인 친수성 또는 친유성(lipophilic) 액체상으로부터, 각각, 혼합될 수 없는 친유성(lipophilic) 또는 친수성 액체를 제거하기 위한 유합 필터로 알려져 있다. 유합 및 습윤(wetting)은 소수성 및 친유성 섬유들의 양을 제어함으로써 제어될 수 있다.
그러나, 종래 기술 유합 필터들은 필터를 가로지르는 압력 강하가 여전히 종종 너무 크다는 점, 다시 말하면 큰 압력 감소가 필터를 가로질러 발생하고, 이는 필터 성능에 역으로 영향을 주는 단점을 보여준다. 압력 강하를 감소시키기 위한 알려진 조치는 필터 물질의 층들을 없애거나 그 수를 감소시키는 것이다. 그러나, 이는 필터 효율에 역효과를 구비한다. 필터 효율은 필터의 입구에서 유체의 양에 관하여 유합 필터에 의하여 여과되는 유체의 양을 참조한다. 그러므로, 사용시 가장 높은 가능한 필터 효율을 보여주는 유합 필터를 위한 필요성이 있다.
그러므로, 본 발명은 개선된 필터 효율을 구비하는 유합 필터의 공급을 고려한다.
제1 청구항의 특징짓는 부분의 기술적인 특징들을 구비하는 유합 필터를 구비한 발명에 따라 이는 달성된다.
따라서, 본 발명의 유합 필터는, 1차 유합 매개물(primary coalescence medium)이 2N/cm2의 압력에서 유합될 유체의 유동 방향에서 측정된, 적어도 3.5 mm, 바람직하게는 적어도 4 mm, 바람직하게는 적어도 5 mm, 더욱 바람직하게는 적어도 6 mm, 가장 바람직하게는 적어도 7 mm, 특별하게는 적어도 7.5 mm의 총 두께를 구비하는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 이해의 범위 내에서, "총 두께(total thickness)"는 1차 유합 매개물의 두께가, 1차 유합 매개물이 2N/cm2의 대기 압력에 지배 받는 동안, 유합 필터 및 결국 유합 매개물을 통하여 유체가 유동하는 방향에서 측정된다는 것을 의미한다고 이해된다.
종래 기술 유합 필터들과 비교한 본 발명에 따라 1차 유합 매개물의 큰 층 두께는 필터 효율을 개선하는 것을 가능하게 한다. 큰 층 두께(great layer thickness)는 특별하게는 유합 수율, 즉 필터의 입구에서 오염물질의 양에 비교하여, 1차 유합 매개물에 의하여 여과되거나 1차 유합 매개물에서 유합되는 오염물질의 양의 상당한 증가를 가능하게 한다.
게다가, 발명자들은, 본 발명의 유합 매개물에서, 모세관 압력이 1차 유합 매개물의 더 큰 층 두께에 의하여 거의 영향을 받지 않는다는 점, 또한 1차 유합 매개물을 통하여 유체가 이동하는 동안 유체에 의하여 극복될 저항(소위 채널 압력)이 모세관 압력에 비교하여 제한되고 작게 유지된다는 점을 발견해 왔다. 필터 효율을 증가시키는 목적을 위하여, 필터를 가로지르는 압력 강하를 낮게 유지하기 위하여, 예를 들어 다공성 물질의 층들의 제한된 수를 이용함으로써, 유합 필터의 층 두께를 제한하거나 낮추는 것이 종래 기술에서 통상적이기 때문에 이는 놀랍게 한다. 본 발명은 현재 필터 효율을 증가시킬 뿐만 아니라 유합 필터를 가로지르는 압력 강하를 감소시키고 결국 필터 성능을 개선하는 것을 가능하게 한다.
현존하는 필터 장치들의 실용적인 유용성의 목적을 위하여 및 비용의 관점에서, 바람직하게는 1차 유합 매개물은 최대 50 mm, 바람직하게는 최대 40 mm, 더욱 바람직하게는 최대 30 mm, 가장 바람직하게는 25 mm, 특별하게는 최대 20 mm의 총 두께를 구비한다. 실제로, 발명자들은, 필터 효율이 1차 유합 매개물의 더 큰 두께에서 상당히 개선되지 않는다는 점과 재료 비용이 불균형하게 높아지게 되는 경향이 있다는 점을 발견해 왔다. 게다가, 두께를 증가시키면서, 1차 유합 매개물을 통하여 움직이는 유합된 오염물질에 의하여 극복될 압력, 소위 채널 압력이 너무 높게 된다는 위험성이 있다. 실제로, 발명자들은, 일단 더 큰 방울들로 오염물질들의 유합이 발생해오면, 1차 유합 매개물을 통하여 전달이 유합 매개물을 통하여 유체 내에 존재하는 운반체의 전달의 영향 하에서 발생한다는 점을 발견해 왔다. 유합 매개물의 두께 도처에 연장하는 채널들의 형태로, 1차 유합 매개물을 통하여 유합된 방울들을 전달하기 위하여 극복될 압력은 1차 유합 매개물의 두께에 의존한다고 보였다.
본 발명의 1차 유합 매개물은, 섬유들 사이에 개구들 또는 구멍들을 구비하는 층 형상 또는 시트(sheet) 형상 물질이 마련되는 방식으로, 예를 들어 섬유 물질, 예를 들어 유리 섬유들을 처리함으로써, 단순히 제조될 수 있다. 유체가 이동하고 유합이 일어나는 유합 매개물의 섬유 물질에서 구멍들은 섬유 물질의 섬유들 사이에 존재하는 공간들에 의하여 실질적으로 형성된다. 이를 가능하게 하는 적절한 기술들이 통상의 기술자에게 알려져 있고 그 중에서도 하나 이상의 시트들, 예를 들어 짜인(woven) 또는 짜이지 않은 섬유 물질들, 뜨개질된 물질들, 땋은 섬유들, 필름들, 스크림(scrim)들, 및 상기 언급된 물질들의 조합들 또는 합판들 또는 이들의 화합물들을 제조하는 것을 포함한다. 본 발명의 1차 유합 매개물에서 사용하기에 적절한 섬유 물질들은 통상의 기술자에게 알려져 있고, 바람직하게는 유합 매개물에서 오염물질의 유합 및 포획에 영향을 줄 수 있도록 선택된다. 그러나, 다른 다공성 물질들 또한 1차 유합 매개물로서 적절하게 사용될 수 있다.
바람직하게는, 1차 유합 매개물은 2와 100㎛ 사이, 바람직하게는 3과 70㎛ 사이, 더욱 바람직하게는 5와 50㎛ 사이, 특별하게는 5와 35㎛ 사이, 더욱 특별하게는 5와 30㎛ 사이의 평균 직경의 구멍들을 구비하는 다공성 물질이다.
상술한 바와 같이 그 다공성이 구멍들에 의하여 마련되는 1차 유합 매개물은 개방된 구조를 구비한다.
섬유 물질로부터 제조된 1차 유합 매개물은, 훨씬 작거나 더 큰 직경의 섬유들이 존재할 수 있을지라도, 0.25-20㎛, 바람직하게는 0.5-10㎛의 평균 직경을 구비하는 섬유들을 주로 실질적으로 포함한다. 주로, 1차 유합 매개물은 상기 언급된 제한들 내에서 그 직경이 다양한 다수의 섬유들로 구성될 것이다.
바람직하게는, 본 발명의 1차 유합 매개물은 적어도 30 l/m2.s, 바람직하게는 적어도 50 l/m2.s, 더욱 바람직하게는 적어도 60 l/m2.s, 가장 바람직하게는 적어도 80 l/m2.s, 특별하게는 100 l/m2.s 또는 그 이상의 공기 투과율을 구비한다. 공기 투과율은 넓은 제한들 내에서 다양할 수 있고 실제로 전형적으로 기껏해야 최대 2000 l/m2.s, 바람직하게는 1750 l/m2.s 일 것이다. 공기 투과율은 DIN EN ISO 9237에 따른 2 mbar에서 측정된다.
상기 공기 투과율을 구비한 1차 유합 매개물은 개방 구조를 구비한다.
그러므로, 본 발명에 따르면, 개선된 성능을 구비하는 1차 유합 매개물을 획득하는 것이 가능하고, 이전에 알려진 것보다, 더 개방된 구조와 결합여 더 큰 총 두께를 구비하는 1차 유합 매개물을 이용함으로써, 유체 내 존재하는 오염물질의 더 나은 분리 수율을 제공할 수 있다.
개방 구조는 유합 수율, 즉 필터의 입구에서 오염물질의 양에 관하여 1차 유합 매개물에 의하여 여과되거나 1차 유합 매개물에서 유합되는 오염물질의 양의 상당한 증가를 가능하게 하는 것에 기여한다. 이는, 필터 효율을 증가시키는 목적을 위하여 구멍들이 더 작은 평균 직경을 구비하는, 더 작은 두께의 1차 유합 매개물의 사용을 교시하는 종래 기술에 대비된다.
발명자들은, 상술한 개방 구조를 구비한 1차 유합 매개물을 사용시, 비습윤성 1차 유합 매개물(예를 들어, 기름 반발성 또는 친유성 유합 매개물)의 구멍들로 유동하며 유합하는 유체에 의하여 극복될 모세관 압력뿐만 아니라 습윤성 1차 유합 매개물(예를 들어, 기름 흡수성 또는 친유성 유합 매개물)을 나가면서 유합된 액체에 의하여 극복될 모세관 압력도 상당히 감소될 수 있다는 점을 추가적으로 발견해 왔다. 상기 더 낮은 모세관 압력은, 1차 유합 매개물이 이전에 가능하게 고려되었던 것보다 훨씬 더 큰 두께 및 더 개방된 구조를 구비할 수 있어서, 유합 수율이 상당히 증가될 수 있고, 그럼에도 불구하고 유합 필터를 가로지르는 압력 강하가 상당히 낮게 유지될 수 있다는 장점을 제공한다. 두께는 유합될 유체의 유동 방향에서 측정된다. 실제로, 이는 1차 유합 매개물이 이전에 통상적이었던 것보다 필터 물질의 훨씬 많은 수의 층들로 구성될 수 있고, 동시에 유합 필터를 가로지르는 압력 강하가 충분히 낮게 유지될 수 있다는 것을 의미할 수 있다.
발명자들은, 더 작은 구멍들 및 결국 더 닫혀진 구조를 구비하는 1차 유합 매개물의 사용시, 유합 매개물을 가로지르는 압력 강하가 상당히 더 높다는 점이 입증된다는 점을 실제로 확립해 왔다.
결과적으로, 더 작은 구멍들을 구비하는 유합 매개물의 사용시, 유합 필터를 가로지르는 충분히 낮은 압력 강하를 보장하기 위하여 두께를 낮게 유지하는 것이 필요하다.
감소된 모세관 압력은, 오염물질을 비습윤성 1차 유합 매개물의 구멍 시스템으로 공급하기 위하여 필요되는 에너지가 감소될 수 있을 뿐만 아니라 습윤성 1차 유합 매개물을 나가는 오염물질에 대해 극복될 모세관 압력 또한 감소될 수 있다는 장점을 더 제공한다. 비습윤성 1차 유합 매개물은 유합 매개물이 유합하는 액체에 대하여 낮은 친화력(affinity)을 보여준다는 점, 또는, 다시 말하면, 두 물질들 사이에 실질적으로 반발력들이 발생한다는 점을 의미한다고 이해된다. 비습윤성 1차 유합 매개물의 예들은 내유성 및/또는 소수성 1차 유합 매개물을 포함한다. 습윤성 1차 유합 매개물은 1차 유합 매개물이 유합하는 액체에 대해 높은 친화력을 보여준다는 점, 또는, 다시 말하면, 1차 유합 매개물과 유합하는 액체 사이에 실질적인 인력들이 발생한다는 점을 의미한다고 이해된다. 습윤성 1차 유합 매개물의 예들은 친유성 및/또는 친수성 1차 유합 매개물을 포함한다.
통상의 기술자는 의도된 성능을 가능하게 하도록, 1차 유합 매개물의 성질을 고려하여, 특별하게는 유합 매개물의 구멍들의 평균 크기 및/또는 공기 투과율 및/또는 유합 매개물의 밀도를 고려하여 1차 유합 매개물의 두께를 조정할 수 있다.
1차 유합 매개물은, 바람직한 두께를 구비한 단일 층의 사용이 또한 가능할 지라도, 시트 형상 다공성 필터 물질의 가깝게 쌓이거나 가깝게 둘러싸인 복수의 인접한 층들로 구성될 수 있다. 가깝게 쌓인 것은 연속적인 층들이 서로 접촉한다는 점 또는, 다시 말하면 연속적인 층들이 서로 인접하게 배열된다는 점을 의미한다고 이해된다. 시트 형상 유합 매개물의 인접한 층들 바람직하게는 쌓여서, 또는 유합 매개물의 시트가 둘러싸여서, 유합 매개물의 연속적인 층들이 인접하게 배열되고, 연속적인 층들 사이에 거리가 최소이고, 연속적인 층들 사이에 존재하는 공기의 어느 층도 최소 두께를 구비하거나, 바람직하게는 심지어 존재하지 않는다. 이는 하나의 층으로부터 다른 하나의 층으로 유체가 천이(transition)가 천이하며 극복될 모세관 압력으로 하여금 가능한 한 낮게 유지되는 것을 가능하게 한다.
이는 연속적인 층들 사이에 유출하는 유체의 위험성을 최소화하는 것을 가능하게 한다.
일 실시예에서, 1차 유합 매개물의 연속적인 층들은 동일한 다공성 물질로 구성될 수 있다. 동일한 물질의 층들을 쌓음으로써, 이전 층으로부터 유체가 다음 층으로 진입할 때 극복되는 데 필요한 추가적인 모세고나 압력을 방지하는 것이 가능하고, 결과적으로 물질 천이들의 결과로 유합 필터를 가로지르는 압력 강하의 증가의 위험성을 최소화하는 것이 가능하다. 또 다른 실시예에서, 1차 유합 매개물의 둘 이상의 연속적인 층들은 다른 물질들, 특별하게는 다른 평균 다공성 및/또는 다른 평균 구멍 직경 및/또는 다른 밀도 및/또는 다른 공기 투과율을 구비하는 물질들로 구성된다. 또한, 제1의 1차 유합 매개물 및 제2의 1차 유합 매개물로부터 1차 유합 매개물을 구성하는 것이 가능하고, 제1의 1차 유합 매개물은 제1 물질, 예를 들어 습윤성, 내유성 또는 친유성 유합 매개물의 하나 이상의 층들로 구성되고, 제2 유합 매개물은 제2 물질, 예를 들어 비습윤성, 내유성 또는 소수성 유합 매개물의 하나 이상의 층들로 구성된다. 1차 유합 매개물이 복수의 층들로 구성되는 경우에서, 개개의 층들의 층 두께는 너비 제한들 내에서 다양할 수 있다. 1차 유합 매개물의 개개의 층들의 두께는, 예를 들어 0.1 내지 1 mm, 바람직하게는 0.4 mm, 더욱 바람직하게는 0.5 mm, 가장 바람직하게는 0.6 mm으로 다양할 수 있다. 통상의 기술자는 유합 매개물에 대해 의도된 총 층 두께를 고려하여 바람직한 층 두께를 선택할 수 있다.
본 발명의 1차 유합 매개물은 충분한 정도의 유합을 보장하기 위하여 동일한 다공성 물질의 바람직하게는 적어도 4개의 연속적인 층들, 더욱 바람직하게는 적어도 6개의 층들, 가장 바람직하게는 적어도 10개의 층들을 포함한다. 층들의 수는, 1차 유합 매개물이 더 많은 층들을 포함하면 필터 효율이 상당히 개선되지 않고, 재료 비용이 불균형하게 높아지게 되는 경향이 있기 때문에 일반적으로 30개 이상이지 않을 것이다. 게다가, 층들의 수의 추가적인 증가는 상술한 바와 같이, 채널 압력이 너무 높게 된다는 위험성을 수반한다. 바람직하게는, 1차 유합 매개물이 구성되는 물질의 층들의 수는 기껏해야 25개, 가장 바람직하게는 20개이다.
발명자들은, 상술한 바와 같이 다층 1차 유합 매개물을 통하여 유체가 유동하는 동안, 유체 내에 존재하는 오염물질이 1차 유합 매개물 내에 존재하는 구멍들 또는 개구들 내에 유합한다는 점을 추가적으로 발견해 왔다. 연속적인 층들의 구멍들은 유합 매개물을 통하여 유체의 유동 방향으로 연장하는 준연속 채널(quasi-continuous channel)들을 형성하고 유체가 이동하는 바람직한 경로들을 제공하는 것으로 보인다.
상기 이론에 의하여 얽매이고 싶어하지 않으면서, 발명자들은 1차 유합 매개물이 구성되는 연속적인 물질 층들의 구멍들이 적어도 부분적으로 겹쳐져서 이전 층으로부터 구멍들이 적어도 부분적으로 다음 층 내에 구멍들과 함께 연결하고, 그러한 방식으로 다음 층에 접근을 제공한다는 점을 믿는다. 연속적인 층들 내에 바람직한 경로들은 대부분 완전히 크기와 형태가 동일하지 않을 것이다. 오히려, 바람직한 경로들은 부분적으로, 더 크거나 더 작은 정도로, 그러나 때때로 또한 전체적으로, 서로를 연결할 것이고, 그러한 방식으로 오염물질이 침전할 수 있는 준연속 채널들을 형성한다. 상기 준연속 채널들은, 유체의 유동 방향으로 1차 유합 매개물의 물질의 두께 도처에 연장한다. 발명자들은 1차 유합 매개물 내에 상기 준연속 채널들이 둘러싸는 물질들보다 유체에 대해 더 높은 투과율을 보여준다는 점, 또는, 다시 말하면, 유체에 대한 더 높은 유체 수용력을 구비하는 채널들을 형성한다는 점을 추가적으로 믿는다.
발명자들은 연속적인 층들 내에 상술한 준연속 채널들은 서로 인접하게, 횡으로 1차 유합 매개물 내에 배치된다는 점을 추가적으로 발견해 왔다. 상기 이론에 얽매이지 않고 싶으면서, 발명자들은 유합 매개물의 층 내에 존재하는 오염물질이 어느 정도로 횡으로 흩뿌려지고 국소적으로 장소(spot)를 형성한다는 점 또는, 다시 말하면 국소적인 연속상을 형성한다는 점을 믿는다. 추정상, 오염물질은 가장 적은 저항이 극복될 곳인 바람직한 경로들을 따라 이동한다. 그러므로, 유합된 오염물질은 연속상을 형성하고, 이는 유합 매개물 내에 횡으로 및 유체의 유동 방향 또는 깊이 내에서 모두 연장한다. 상술한 과정은 1차 유합 매개물의 연속적인 층들 내에서 및/또는 두께 방향으로 그 자체로 반복한다.
바람직한 경로들이 본 발명의 유합 매개물의 층이 진 구조 내에 존재한다는 가정은 신뢰가 있다. 다공성 필터 물질들, 특히 섬유 물질들로 구성되는 시트 형상 필터 물질들은, 조심히 제조될지라도, 미소스케일(microscale)에서 동질이지 않은 영역들을 보여주고 섬유들 사이에 개구들과 함께 국소적으로 다양한 투과성을 보여준다. 공기 또는 어느 다른 유체도 더 높은/더 좋은 투과성의 영역들을 통하여 우선적으로 이동할 것이다. 더 좋은 투과율의 상기 영역들에서, 오염물질은 먼저 구멍들 내에 침전(precipitate)하고 더 큰 방울들로 유합할 것이다. 상기 방울들은 더 좋은 투과율의 영역들을 통하여 공기 유동과 함께 이동된다. 적어도 부분적으로 서로 정렬하는 연속적인 층들 내에 높은 투과율 영역들의 결과로, 준연속 채널들이 형성된다.
본 발명의 이해의 범위 내에서, 결과적으로, "채널(channel)들"은 유체, 예를 들어 공기의 유동의 영향 하에서 1차 유합 매개물을 통하여 주기적으로 이동되는 유합하는 액체의 양에 의하여 바람직한 경로의 사용을 참조하도록 이해된다. 상기 경로들은 임의의 형상을 구비하고 모든 방향으로 연장할 수 있다. 본 발명에 따르면, "채널(channel)"은 실린더 형상의 튜브들 또는 도관들을 반드시 참조하는 것은 아니다. 비습윤성 유합 매개물과 함께 상기 채널들은 필터의 출구에서 방울들의 형성을 생기게 한다; 습윤성 유합 매개물과 함께 상기 채널들은 마지막 층 내에 필름으로 흩뿌리고, 이는 모세관력의 영향 하에서 1차 유합 매개물의 밖으로 밀어붙여져야 하고 결국 모세관 압력 강하를 유발한다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 1차 유합 매개물은 0.05 내지 0.90 g/cm3, 0.05 내지 0.75 g/cm3, 더욱 바람직하게는 0.08 내지 0.05 g/cm3의 범위 내에 밀도를 구비한다. 밀도는 2N/cm2의 압력에서 디지털 마이크로미터로 측정된, 1 m2의 영역을 구비하는 1차 유합 매개물의 물질의 양의 무게를 재고, 이에 상기 물질의 두께를 곱함으로써 측정된다.
본 발명의 유합 필터는 바람직하게는, 1차 유합 매개물의 표면에 인접하고, 유합된 오염물질을 포획하고 배수하고 상기 오염물질의 방출을 촉진하기 위하여, 유합된 오염물질이 1차 유합 매개물을 나가는 1차 유합 매개물의 하부 표면을 바람직하게 따라, 배수 층을 포함한다. 하부에 배치된 상기 배수 층은 유합 매개물, 및/또는, 특별하게는, 유체 내 존재하는 운반체로 다시 유합된 오염물질의 역류에 저항하도록 장벽을 제공하도록 의도되기도 한다. 상기 가설에 얽매이고 싶지 않으면서, 배수 층은 배수가 발생하는 1차 유합 매개물의 경계 표면을 따라 천이 영역 또는 경계를 형성하여서, 경계 표면에서 오염물질의 형성은, 중력의 원동력(motive force of gravitation)에 의하여 구동되고 필터로부터 방출을 위하여 필터의 하우징 내에 침전되는 큰 방울들의 형성에 의하여, 대항된다. 또한, 바람직하게는, 유체가 1차 유합 매개물로 공급되는 1차 유합 매개물의 표면에 인접하게, 1차 유합 매개물의 상부에서 보호 층이 두 물질들이 접촉하는 방식으로 배열될 수 있다. 하부에서, 1차 유합 매개물의 표면에 인접하게, 보호 작용 외에 추가적인 배수 기능을 구비할 수도 있는 보호 층 또한 추가될 수 있다.
본 발명은 또한 상술한 유합 필터 내에 사용을 위한 및/또는 유합 필터의 부분으로 상술한 바와 같이 유합 매개물에 관한 것이다.
추가적으로, 본 발명은 운반체 및 적어도 하나의 오염물질을 포함하는 유체를 정화하기 위한 방법에 관한 것으로, 유합 필터 내에, 특히 1차 유합 매개물 내에 적어도 하나의 오염물질을 유합함으로써 적어도 하나의 오염물질의 농도를 감소시키기 위하여, 상기 유체는 상술한 유합 필터를 통하여 전달된다. 예를 들어, 유체는 하나 이상의 탄화수소, 오염된 물 또는 오염된 탄화수소들로 오염된 압축 공기의 군으로부터 선택될 수 있지만, 다른 유체들은 적절하게 마찬가지로 사용될 수 있다. 본 발명의 유합 필터는 연속 공정 내에 사용하기에 적합하고, 상기 연속 공정내에서 1차 유합 매개물로 유체의 연속적인 공급이 일어난다. 그러나, 또한 하나 이상의 별개의 묶음(batch)들로 유체를 공급하는 것도 가능하다.
게다가, 본 발명은 운반체로부터 하나 이상의 액체 오염물질들을 분리하기 위한 본원에 기재된 유합 필터의 사용에 관한 것으로, 운반체는 가스 또는 액체일 수 있다. 본 발명은 특별하게는 공기 컴프레서들 및 크랭크실들로부터 나오는 압축 공기로부터 기름 에어로졸 방울들을 분리하거나, 연료-물 시스템들 내에 연속상으로서 연료로부터 분산상으로서 물을 분리하거나, 연속상으로서 물과 함께 물-기름 시스템으로부터 분산상으로서 기름을 분리하기 위한 본원에 기재된 유합 필터의 사용에 관한 것이다.
추가적으로, 본 발명은 첨부된 도면들과 도면들의 설명에서 하기에서 설명된다.
본 발명의 효과는 명세서 내에 포함되어 있다.
도 1은 압축 가스에 대한 대표적인 유합 필터의 내부 용적의 도면을 도시한다.
도 2a는 90˚의 각도에서 공급되는 운반 유체(carrier fluid, CF) 및 유합 매개물 및 인접하게 배열된 배수 층을 구비하는, 배수 층에 대한 1차 유합 매개물의 개략적인 단면도이다.
도 2b는 1˚와 90˚ 사이의 각도에서 공급되는 운반 유체 및 유합 매개물 및 인접하게 배열된 배수 층을 구비하는, 배수 층에 대한 1차 유합 매개물을 개략적으로 도시한다.
도 3은 침전된 액체의 더 높은 농도에 의하여 도시된 바와 같이, 1차 유합 매개물 내에 형성된 준연속 채널의 단면도를 도시한다.
도 4는 침전된 액체의 더 높은 농도를 보여주는 지역적 영역(regional area)들에 의하여 도시된 바와 같이, 1차 유합 매개물 내에 형성된 복수의 준연속 채널들의 사시도를 도시한다.
도 5는 시간의 함수로서, 액체, 기름을 포함하는 오염물질의 침전과 함께 운반 유체 유동이 주어진, 본 발명에 따른 습윤성 (친유성) 섬유들을 포함하는 유합 매개물을 통하여 운반 유체의 압력 강하의 그래프를 도시한다.
도 6은 시간의 함수로서, 액체 오염물질의 침전과 함께 운반 유체 유동이 주어진, 본 발명에 따른 내유성 섬유들을 포함하는 유합 매개물을 통하여 운반 유체의 압력 강하의 그래프를 도시한다.
도 1에 도시된 유합 필터(10)는 상부에서 필터 헤드(12)를 구비한 닫혀진 하우징(24)을 포함한다. 필터 헤드(12)는 입구(16)를 포함하고, 상기 입구(16)를 통하여 운반 유체 및 적어도 하나의 오염물질을 포함하는 유체가 유합 필터로 유입된다. 하우징(24)은 필터 엘리먼트를 통하여 유동해 온 유체 및/또는 운반 액체를 방출하기 위한 출구(18)를 포함한다. 필터 헤드(12)는 하우징(24)에 탈착 가능하게 연결되어서, 유합 필터의 내부 공간은 필요하다면 필터 엘리먼트의 대체를 위하여 접근 가능하다. 탈착 가능한 연결은 예를 들어, 나사산 연결에 의하여, 압력, 마찰, 클램핑(clamping) 등에 의하여, 통상의 기술자에 의하여 적합하게 고려되는 어던 방법으로도 영향받을 수 있다. 입구(16)는 유체가 필터 엘리먼트로 통과될 수 있는 방식으로 필터 엘리먼트에 연결된다. 필터 엘리먼트는 필터 헤드(12)에 바람직하게 탈착 가능하게 연결되어서, 필터 엘리먼트는 주기적으로 대체될 수 있거나 필요한 경우 대체될 수 있다.
도 1에 도시된 유합 필터는 액체 또는 유체의 가스 운반체 내에 존재하는 하나 이상의 액체 오염물질들을 유합하기 위하여 의도된다. 예를 들어, 하나 이상의 오염물질들은 불활성 또는 반응성 물질일 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 오염물질들은 액체들, 에어로졸들, 매크로드롭(macrodrop)들 또는 둘 이상의 상기 물질들의 혼합물들의 군에 속할 수 있다. 본 발명의 유합 필터와 함께 사용하기에 적합한 유체의 예는 기름 에어로졸로 오염된, 압축 공기이다.
필터 엘리먼트는, 유체 내에 존재하는 하나 이상의 액체 오염물질들을 유합 매개물 내에 유합하고 유체 내에 존재하는 운반체로부터 상기 오염물질들을 분리하기 위하여, 적어도 하나의 1차 유합 매개물(22)을 포함한다. 의도된 적용에 의존하여, 특히 복수의 오염물질들의 유합이 의도된다면, 오염물질이 제거되기 위하여 바람직한 친화력과 함께 각각, 둘 이상의 다른 1차 유합 매개물을 설치하도록 선택될 수 있다.
바람직한 실시예에서, 추가적으로 필터 엘리먼트는, 유합 매개물(22)에 인접하고 유합 매개물(22)로부터 하부에서, 적어도 하나의 다공성 배수 층(30)을 포함한다. 상기 배수 층은, 공기 또는 두 매개물 사이에 다른 물리적 분리의 층을 구비하거나 구비하지 않고, 바람직하게는 공기의 층을 구비하지 않고, 유합 매개물의 표면에 인접하게 배치된다. 목적은 유합 매개물로부터 배수 층으로 유체, 운반체 및/또는 오염물질의 에너지 효율적인 유동을 가능하게 하는 것이다. 이는 도 2a 및 도 2b에서 도시된다. 배수 층은 1차 유합 매개물의 하부에서 주로 배열된다.
한편으로는, 하부에서 배치된 배수 층(30)은, 유체 및/또는 필터를 통하여 전달되는 그 안에 존재하는 운반체의 원동력으로 인하여 1차 유합 매개물에 의하여 유체로부터 분리된 오염물질의 전달/방출 및 전달을 최대화하도록 의도된다. 이를 가능하게 하는 물질들은 통상의 기술자에게 알려져 있다. 또한, 배수 층(30)의 물질은 1차 유합 매개물(22), 특히 운반체에 다시 유합된 오염물질의 역류에 저항하기 위하여 바람직하게는 장벽을 제공한다. 이에 얽매이지 않고 싶으면서, 배수 층(30)은 유합 매개물(22)의 인접한 표면을 위한 경계 또는 천이 영역을 제공하고, 상기 경계 또는 천이 영역은 오염물질 액체의 거시적인 방울들의 형성을 자극한다는 점에서 상기 접촉 표면 상에 유합된 오염물질의 형성에 대항한다고 가정된다. 상기 방울들은 중력과 같이, 추가적인 원동력에 의하여 그 위에서 배수 층(30) 밖으로 구동되고, 예를 들어 하우징 내에 침전(deposit, precipitate)되고 필터로부터 방출된다. 바람직하게는, 둘 이상의 배수 층(30)들이 마련될 수 있다. 적합한 물질의 예는 개방된 셀 폴리머 발포체이다.
바람직하게는, 1차 유합 매개물(22)의 상부뿐만 아니라 하부에서, 보호 층(25)이 마련될 수 있다. 상기 보호 층(25)은 배수 층으로서 역할을 할 수 있거나, 바람직한 방향으로 유체 유동을 안내할 수 있다. 보호 층(25)으로서 사용하기에 적합한 물질의 예는 개방된 폴리프로필렌 층이지만, 다른 물질들 또한 사용될 수 있다. 바람직하게는, 필터 엘리먼트는 또한 코어(20)를 포함한다. 적어도 하나의 1차 유합 매개물(22)은 필터 코어(20)의 하부에서 배열된다.
유합 필터(10)는 하나 이상의 내부 지지 구조(26)를 바람직하게 포함하고, 상기 내부 지지 구조는 하나의 기계적 전체로 필터 엘리먼트의 통합을 지지하고, 이는 유체에 의하여 로딩(loading)의 영향 하에서, 유합 매개물(22)을 포함하는 필터 물질들의 기계적 변형의 위험성을 최소화하고 예기치 못하거나 순간적인 충격의 작용에 맞서 동일하게 보호한다.
추가적으로 하우징(24)은 배수 메커니즘(32)을 포함할 수 있다. 적합한 배수 메커니즘(32)은 자동적으로, 반자동적으로 또는 수동적으로 작동되는 밸브들을 포함할 수 있고, 상기 밸브들을 통하여 하우징 내에 유지된 유합되고 배수된 오염물질이 제거된다.
추가적으로, 유합 필터(10)는 임의의 컴포넌트들을 포함할 수 있고, 이는 필터의 사용 및 수율을 추가적으로 개선한다. 필터 헤드(12)는, 예를 들어, 상태 표시기(14)를 포함할 수 있고, 이는 주기적인 대체를 위하여 잠재적 필요를 포함하여 유합 필터의 상태에 관한 표시를 제공한다. 상태 표시기(14)는 유합 필터의 수율을 직접적으로 또는 간접적으로 측정하기 위하여 마련될 수 있고, 예를 들어 시각적, 청각적 또는 전자적 신호 또는 이들의 조합에 의하여, 유합 필터(10)의 조건의 표시를 제공하는 표시기를 포함할 수 있다. 표시기(14)는 공압식으로 또는 전기식으로 또는 통상의 기술자에 의하여 적합하게 고려되는 어느 원리에 따라 작동할 수 있다.
본 발명의 유합 필터에 사용되는 1차 유합 매개물(22)은 다공성 구조를 구비하고, 유체 내에 존재하는 하나 이상의 오염물질들의 집적(aggregation) 또는 유합을 유도할 수 있다. 1차 유합 매개물의 다공성 구조 내에 존재하는 구멍들의 표면은 유합될 하나 이상의 오염물질들에 관하여 습윤성 또는 비습윤성일 수 있다. 예를 들어, 표면은 내유성 또는 소수성, 또는 친유성 또는 친수성일 수 있다. 액체 또는 가스 스트림으로부터 기름의 제거가 의도되는 적용예들에서, 유합 매개물은 친유성 또는 내유성일 수 있다. 1차 유합 매개물(22)을 위한 물질은 불순도가 제거되기 위하여 높은 친화력을 구비하도록 바람직하게 선택된다.
다양한 성질의 오염물질들로 하여금 연속으로 제거되는 것을 가능하게 하기 위하여, 본 발명의 유합 필터는 오염물질로 하여금 제거되도록 선택적인 다른 친화력의 둘 이상의 1차 유합 매개물(22)을 포함할 수 있다. 그러나, 바람직하게는, 모세관 압력을 가능한 한 낮게 유지하기 위하여, 유합 필터는 단지 하나의 1차 유합 매개물을 포함한다.
1차 유합 매개물은 다공성 물질의 하나 이상의 층들을 포함할 수 있는 다공성 물질이고 바람직하게는 층이 진다. 바람직하게는, 1차 유합 매개물은 동일한 층 형상 섬유 물질의 하나 이상의 층들로 구성된다. 대안적인 실시예에서, 유합 필터는 다른 유합 매개물, 즉 오염물질로 하여금 제거되도록 선택적인 다른 친화력의 복수의 유합 매개물들을 구비한 둘 이상의 필터 엘리먼트들을 포함한다.
1차 유합 매개물(22)로서 사용하기에 적합한 층 형상 물질들은 한정된 길이 섬유들, 연속적인 필라멘트들 및 이들의 조합들로 구성되는 기판들 또는 물질들을 포함한다. 1차 유합 매개물은 1차 유합 매개물을 통하여 유체의 이동을 가능하게 하도록 가해진 압력에, 유체 내 존재하는 액체 오염물질들에, 및 필터의 제조, 이들의 어셈블리 및 이들의 사용 동안 물질이 노출되는 정적 및 동적 로드(load)들에 저항적인 적합한 물질들을 바람직하게 포함한다. 적합한 층 형상 섬유 물질들의 예들은 짜인 또는 짜이지 않은 섬유 물질들, 뜨개질 된 물질들, 엮은 물질(plaiting), 필름들, 및 상기 물질들의 조합들 또는 합판들 또는 이들의 화합물들을 포함한다.
1차 유합 매개물은 바람직하게는 다층 물질이고, 다층 물질은 바람직하게는 적어도 4개의 층들, 더욱 바람직하게는 적어도 6개의 층들, 가장 바람직하게는 적어도 10개의 층들을 포함한다. 주로, 섬유 물질의 층들의 수는 기껏해야 20개일 것이다. 유합 매개물의 개개의 층들의 두께는 본 발명에 중요하지 않고 너비 제한들 내에서 다양할 수 있다. 예를 들어, 층의 두께는 0.4 mm, 0.5 mm, 0.6 mm, 0.75 mm 또는 1 mm의 두께일 수 있다. 반면에, 1차 유합 매개물은, 바람직한 두께로, 바람직한 물질의 하나의 층으로 구성될 수도 있다.
다층 1차 유합 매개물은 다양한 방식들, 예를 들어, 섬유 물질의 복수의 층들을 쌓기, 주름 가공, 둥글게 말기 또는 둘러쌈으로써, 생산될 수 있어서, 층들의 바람직한 수가 획득된다. 그러나, 어느 다른 방법도 적절하게 사용될 수 있다. 섬유 물질의 층들은 서로에 관하여 바람직하게는 인접하게 배열되어서, 적어도 가능한 층 두께의 공기의 층은 인접한 층들 사이에 존재한다. 바람직하게는, 인접한 층들은 배열되어서 공기의 어떤 층도 그 사이에 존재하지 않는다. 예를 들어, 섬유 물질의 하나 이상의 일 측들을 따라, 예를 들어 쌓인 복수의 층들을 함께 누르거나 고정시킴으로써, 이는 획득될 수 있다. 그러나, 바람직하게는, 손실의 위험성을 최소로 유지하기 위하여 섬유 물질이 둘러싸일 수 있다.
본 발명의 1차 유합 매개물 내에 사용하기 위한 층이 진 물질을 제조하기에 특히 적합한 섬유 물질들의 예들은, 예를 들어 잡아늘리기, 실뽑기, 바느질하기, 수류결합(hydroentanglement), 용융 실뽑기(예를 들어, 스핀 결합, 나노섬유들, 멜트블로잉), ?레잉(wet-laying), 전자실뽑기, 용매 실뽑기, 점 결합, 접착 결합, 연속적인 짜기/짓기, 주물, 공유압출성형(coextrusion) 등에 의하여 제조된, 열가소성 물질들, 열경화성 물질들, 유기성 또는 무기성 물질들, 금속성 물질들 또는 합금들, 혼합물(admixture)들, 블렌드(blend)들 및 화학적으로 변형된 물질들을 포함한다. 특정한 선호의 물질들은, 유리 섬유들, 규산염 기반 ? 레이드(wet-laid) 열경화성 접착 결합 짜이지 않은 섬유들, 예를 들어 한정된 길이의 붕소규산염 유리 섬유, 유체에 의한 로딩에 대한 열적 및 열수작용적(hydrothermal) 저항 때문에, 화학적 변형의 필요 없이, 예를 들어 탄화플루오르 표면 처리에 의하여, 운반체 액체 및 오염물질을 포함한다.
본 발명 내에 사용하기에 적합한 1차 유합 매개물은 0.05-0.90 g/cm3 , 더욱 바람직하게는 0.05-0.75 g/cm3, 가장 바람직하게는 0.08-0.50 g/cm3사이에 바람직하게 다양한 밀도를 구비한다. 0.10-0.25 g/cm3 또는 0.12-0.17 g/cm3 사이의 밀도를 구비하는 물질들은 또한 적합할 수 있고 잘 정의된 유체들 및/또는 오염물질들에 대해 선호될 수 있다.
1차 유합 매개물이 구성되는 (현미경으로 측정된) 물질 내에 존재하는 구멍들의 평균 직경은 바람직하게는 2 내지 100㎛의 범위 내에, 바람직하게는 3과 70㎛사이, 더욱 바람직하게는 5와 50㎛사이, 가장 바람직하게는 5와 35㎛사이, 특별하게는 5와 30㎛사이일 수 있다.
배수 층(30) 내에 사용하기 위한 물질들은, 예를 들어, 짜인 또는 짜이지 않은 물질들, 뜨개질 된 물질들, 필름들, 개방 셀 발포체(open cell foam)들, 주물 또는 실이 뽑힌 스크림(scrim)들, 개방 메쉬(mesh)들 및 상기 언급된 물질들의 합판들의 조합들 또는 화합물들일 수 있다. 배수 층(30) 내에 사용하기 위한 물질들은, 예를 들어, 열가소성 또는 열경화성 플라스틱들, 유기성 또는 무기성 물질들, 금속성 물질들 또는 합금들, 상기 언급된 물질들의 블렌드들 및 이들의 화학적으로 변형된 형태들의 군으로부터 선택될 수 있다. 상기 언급된 물질들은 통상의 기술자에 의하여 적합하게 고려되는 어느 방법, 예를 들어 잡아늘이기(drawing), 실뽑기(spinning), 바느질하기(needling), 수류결합(hydroentanglement), 용융 실뽑기(melt spinning) (예를 들어, 스핀 결합(spin bonding), 나노섬유들, 멜트블로잉(melt blowing)), ?레잉(wet-laying), 전자스피닝(electro-spinning), 용매 실뽑기(solvent spinning), 점 결합(point bonding), 접착 결합(adhesive bonding), 연속적인 짜기(weave)/뜨개질하기(knit), 주물(casting), 공유압출성형(co-extrusion), 팽창(expansion), 용매 주물 및 그와 같은 것에 의하여 제조될 수 있다. 폴리우레탄 발포체들은 유체 및/또는 유체 내 존재하는 운반체 및 오염물질 액체에 의하여 열적 로딩에 잘 저항하지만, 불소 함유 물질들을 구비한 배수 층 또는 유합 필터의 하나 이상의 부분들을 전처리할 필요성 없이, 동시에 오염물질들, 예를 들어 탄화수소 기반의 오염물질들의 유합 매개물에 대한 회구에 대항하기 때문에, 폴리우레탄 발포체들이 특별하게 선호된다.
1차 유합 매개물(22), 배수 층(30) 및 장벽 층은 별도의 층 형상의 물질들로서 유합 필터(10) 내에 조립될 수 있다. 그러나, 또한 합판 내에 상기 언급된 물질들을 결합시키는 것도 가능하여서, 상기 언급된 물질들은 전체를 형성하고, 인접한 층들 사이에 최적의 접촉이 보장되고 하나의 층으로부터 다음의 층으로 유체의 최적의 유동이 일어날 수 있다.
본 발명은 1차 유합 매개물이, 큰 구멍 용적을 구비한, 고벌크(high bulk) 용적 및 낮은 밀도를 구비하는 하나 이상의 다공성 층이 진 물질들 또는 구조들로 구성되고, 구멍들은 상대적으로 큰 평균 구멍 직경을 구비한다는 장점을 제공한다. 그러한 개방 구조는 유체 및 1차 유합 매개물을 통하여 유합된 오염물질의 전달 시 모세관 압력 및 채널 압력을 낮게 유지하는 것을 가능하게 하고 유합 필터를 가로지르는 압력 강하를 낮게 유지하는 것을 가능하게 한다. 모세관 압력은 오염물질이 비습윤성 유합 매개물로 진입하는 것을 극복해야할 저항 뿐만 아니라, 오염물질이 습윤성 유합 매개물을 나가면서 극복해야할 저항을 참조하는 것으로 이해된다. 채널 압력은 유합된 오염물질이 유합 매개물의 구멍 시스템을 통하여 이동할 때 극복해야 할 저항을 참조하는 것으로 이해된다.
액체 오염물질의 유합된 부분들은 유합된 액체의 증가된 농도와 함께 준연속 채널들로서 유합 매개물에서 전형적으로 나타난다. 상기 채널들은 별도의, 감지 가능한 영역들을 형성하고, 상기 영역들은 도 4에 도시된 바와 같이 필터 물질의 두께를 통하여 연장한다. 예를 들어 펌핑에 의하여, 유합 필터를 통하여 강제 가능하게 전달되는 운반체의 원동력은, 1차 유합 매개물의 외부 표면 하부에서, 출구 또는 후방을 향하여 유합 매개물을 통하여 오염물질들의 전달을 돌보고, 상기 외부 표면에서 액체 일부로서 오염물질들은 중력의 영향 하에 거시적인 방울들로서 운반체를 떠나기 위하여 충분한 집적(aggregation)에 도달해 왔다. 본 발명의 1차 유합 매개물의 상대적으로 큰 구멍들, 낮은 밀도 및 높은 공기 투과율은, 필터의 유효수명(useful life) 동안 준연속 채널들의 동적 발달을 가능하게 하고 필터를 가로지르는 압력 강하를 최소화하도록 협력한다고 가정된다.
상기 이론에 얽매이지 않고, 1차 유합 매개물(22)과 함께, 유체, 예를 들어 압축 가스의 첫 접촉시, 뚜렷한 준연속 채널(50)들의 첫 집단이 형성되는 것이 가능하다고 가정된다. 추가적인 유체가 공급됨에 따라, 하나 이상의 준연속 채널(50)들의 접근성은, 상기 채널들 내에 고체들 및/또는 입자들에 의하여 집적물들의 형성 또는 혼합될 수 없는 복합물들, 겔화(gelling) 및 폐색(occlusion)으로 인하여 줄어들 수 있다. 유체의 유입이 계속되면서, 준연속 채널(50)은 줄어든 저항의 경로를 따라, 1차 유합 매개물(22)의 다른 방향으로 발달하는 것이 가능하다. 그러므로, 새로운 준연속 채널들이 형성될 수 있다. 상기 가설적인 모델에 얽매이지 않고, 압축 유체, 예를 들어 오염물질로서 기름 에어로졸을 포함하는 공기의 전달시, 1차 유합 매개물을 통하여, 하나 이상의 준연속 채널(50)들을 통하여 전달이 진행한다. 상기 채널(50)들에서, 공기 내에 기름의 양의 효율적인 감소는 상기 채널(50)들 내에 기름의 유합에 의하여 야기된다.
도 5는 친유성 섬유 구조로 구성된 유합 매개물을 위한 실용적인 상황을 도시한다. 발명자들은 유체로부터 액체 오염물질의 유합이, 적어도 제1 및 제2 별도의 단계인, 순차적인 과정에 따라 진행하고, 상기 각각의 별도의 단계는 유합 매개물을 가로지르는 압력 감소와 연관된다는 점을 확립해 왔다. 오염물질이 유합 매개물을 떠나고, 인력을 극복하기 위한 유합 매개물을 떠나면서 극복되어야 할 에너지 장벽과 관련될 때, 제2 별도의 단계가 관찰되었다. 액체가 유합 매개물을 통하여 펌핑되어야한다는 점에서 하나 이상의 준연속 채널들의 형태로 유합 매개물을 통하여 오염물질이 이동하자마자 제1 별도의 단계가 관찰되었다.
도 6은 내유성 섬유 구조로 구성되는 유합 매개물을 위한 실용적인 상황을 도시한다. 발명자들은, 유체로부터 액체 오염물질의 유합이, 적어도 제1 및 제2 별도의 단계와 함께, 유합 매개물을 가로지르는 순차적인 압력 감소가 동반된다는 점을 확립해 왔다. 반발력을 극복하기 위하여 유합 매개물로 오염물질이 유동하자마자 제1 별도의 단계가 발생한다. 하나 이상의 준연속 채널들을 통하여 유합 매개물을 통하여 오염물질이 전달되자마자 제2 작은 별도의 단계가 발생한다.
그러므로, 본 발명은 상대적으로 큰 평균 직경의 구멍들을 구비한 섬유 물질의 복수의 층들을 포함하는 유합 매개물을 구비한 유합 필터를 제공하고, 상기 구멍을 통하여 운반체 및 적어도 하나의 오염물질을 구비한 유체가 이동한다. 섬유 물질은 높은 공기 투과율, 낮은 밀도를 구비하고 그 구멍들이 상대적으로 큰 직경을 구비하는 구멍 시스템을 포함한다.
이는 유체 내 존재하는 오염물질의 더 높은 분리 수율을 보장하는 1차 유합 매개물을 제공하는 것을 가능하게 한다. 상기 더 높은 분리 수율은 유합 매개물로 유입하거나 나가자마자 유체에 의하여 극복되어야 할 모세관 압력의 상당한 감소뿐만 아니라, 채널 압력, 즉, 1차 유합 매개물의 구멍 시스템을 통하여 유체 및 유합된 오염물질의 전달시 극복되어야 할 압력의 상당한 감소가 동반된다. 유합 매개물을 가로지르는 압력 강하가 감소될 수 있음에 따라, 필터 시스템의 에너지 요구가 상당히 개선될 수 있다. 그러므로, 본 발명은 감소된 에너지 요구와 결합하여 개선된 분리 수율을 구비하는 유합 필터를 제공한다. 종래 기술 시스템들에서 개선된 분리 수율이 역으로 에너지 요구에 영향을 주기 때문에 이는 놀랍게 한다.
특히 압축 공기 스트림을 위한 유합 필터로 이용될 때, 본 발명의 유합 필터와 함께, 공기 내에 존재하는 오염물질 액체에 대한 분리 수율은 1.0 mbar 압력 차 당 m3의 운반 유체 또는 운반 가스 당 적어도 40㎛ 액체, 바람직하게는 적어도 44㎛, 더욱 바람직하게는 적어도 46㎛로 획득될 수 있다.
추가적으로 본 발명은 하기의 예들에서 및 하기의 예들에 의하여 설명된다.
하기에 명시된 섬유 물질들은 ISO 12500-1 및 ISO 8573-2에 기재된 바와 같이 기름으로 오염된 공기를 정화하기 위한 유합 필터로서 검사되었다. 초기 기름 농도는 10 mg/m3이었다.
비교 실험예들 A-B
필터 물질은 표 1에 명시된 바와 같은 특성들을 구비한 일반적이고, 상업적으로 이용 가능한 내유성 필터 물질의 명시된 수의 층들을 포함하여 사용되었다.
Figure pct00001
예들 1-2
유합 매개물은 하기에 명시된 바와 같은 물질 특성들을 구비한, 각각, 친유성 및 내유성 유리 섬유 물질의, 각각, 14개 및 8개 층들을 포함하여 사용되었다. 공기에 대한 투과율은 DIN EN ISO 9237에 따라 결정되었다.
Figure pct00002
예 1과 비교 실험예 A의 비교로부터, 필터 물질의 두껍고 개방된 패키지의 필터 효율은 얇고, 근접하게 쌓인 패키지의 필터 효율보다 더 좋다는 점이 보인다. 두껍고 개방된 패키지를 가로지르는 압력 강하는 심지어 더 낮은 것으로 보인다.
비교 실험예 B와 예 2의 비교는, 필터 효율이 두껍고, 개방된 패키지 및 얇고, 밀집하게 채워진 패키지에 대해 유사하다는 점을 보여준다. 그러나, 두껍고 개방된 패키지를 가로지르는 압력 강하는 얇고 밀집하게 채워진 패키지를 가로지르는 압력 강하보다 더 낮다.
10 : 유합 필터
16 : 입구
18 : 출구
22 : 1차 유합 매개물

Claims (21)

  1. 운반체 및 적어도 하나의 오염물질을 유합함으로써 적어도 하나의 액체 오염물질을 포함하는 유체를 정화하기 위한 유합 필터에 있어서,
    상기 유합 필터는 상기 유합 필터 내에 존재하는 필터 엘리먼트로 상기 유체를 공급하기 위한 입구를 포함하고, 상기 필터 엘리먼트는 1차 유합 매개물을 포함하고, 상기 1차 유합 매개물은, 상기 1차 유합 매개물을 통하여 상기 유체가 이동하는 동안 상기 1차 유합 매개물 내에 상기 적어도 하나의 오염물질을 유합하기 위하여 마련되고, 상기 유합 필터는 상기 필터 엘리먼트로부터 유합된 오염물질을 방출하기 위한 출구를 더 포함하고, 상기 1차 유합 매개물은 다공성 물질의 적어도 하나의 층을 포함하고,
    상기 1차 유합 매개물은, 2N/cm2 의 압력에서 측정된, 적어도 3.5 mm, 바람직하게는 적어도 4 mm, 바람직하게는 적어도 5 mm, 더욱 바람직하게는 적어도 6 mm, 가장 바람직하게는 적어도 7 mm, 특별하게는 적어도 7.5 mm의 총 두께를 구비하는 것을 특징으로 하는, 유합 필터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 1차 유합 매개물은 최대 50 mm, 바람직하게는 최대 40 mm, 더욱 바람직하게는 최대 30 mm, 더욱 바람직하게는 최대 25 mm, 특별하게는 최대 20 mm 의 두께를 구비하는, 유합 필터.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 1차 유합 매개물 내에 구멍들은 2와 100 ㎛ 사이, 바람직하게는 3과 70 ㎛ 사이, 더욱 바람직하게는 5와 50 ㎛ 사이, 가장 바람직하게는 5와 35 ㎛ 사이, 특별하게는 5와 30 ㎛ 사이의 평균 구멍 직경을 구비하는, 유합 필터.
  4. 제1항 내지 제3항에 있어서,
    상기 1차 유합 매개물은 적어도 30 l/m2.s, 바람직하게는 적어도 50 l/m2.s, 더욱 바람직하게는 적어도 100 l/m2.s의 공기 투과율을 구비하는, 유합 필터.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 1차 유합 매개물은 최대 2000 l/m2.s, 바람직하게는 최대 1750 l/m2.s의 공기 투과율을 구비하는, 유합 필터.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 1차 유합 매개물은 동일한 다공성 물질의 복수의 층들, 바람직하게는 적어도 4개의 층들, 더욱 바람직하게는 적어도 6개의 층들, 더욱 바람직하게는 적어도 10개의 층들을 포함하는, 유합 필터.
  7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 1차 유합 매개물은 제1 유합 매개물의 하나 이상의 층들 및 제2 유합 매개물의 하나 이상의 층들을 포함하고, 상기 제2 유합 매개물은 상기 제1 유합 매개물과 상이한, 유합 필터.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 유합 매개물은 유합될 오염물질에 관하여 습윤성이고,
    상기 제2 유합 매개물은 유합될 오염물질에 관하여 비습윤성인, 유합 필터.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 1차 유합 매개물은 0.08과 0.50 g/cm3 사이, 바람직하게는 0.10과 0.25 g/cm3 사이, 더욱 바람직하게는 0.12 내지 0.17 g/cm3 사이의 밀도를 구비하는, 유합 필터.
  10. 제1항 내지 제9항에 있어서,
    상기 1차 유합 매개물은 다공성 섬유 물질의 하나 이상의 층들로 만들어지고, 상기 다공성 섬유 물질은 0.25-20 ㎛, 바람직하게는 0.5-10 ㎛의 평균 직경의 섬유들을 실질적으로 포함하는, 유합 필터.
  11. 제1항 내지 제10항에 있어서,
    상기 유합 필터는 배수 물질의 층을 포함하고, 바람직하게는 상기 1차 유합 매개물의 하부 표면에 따라 및 상기 하부 표면에 인접하고, 유합된 오염물질을 수용하고 배수하기 위하여 유합된 오염물질은 상기 1차 유합 매개물의 하부 표면을 따라 상기 1차 유합 매개물을 나가는, 유합 필터.
  12. 제1항 내지 제11항에 있어서,
    상기 배수 층은 열가소성 또는 열경화성 플라스틱, 유기 또는 무기 물질, 금속성 물질 또는 금속 합금, 또는 둘 이상의 상기 물질들 및 상기 물질들의 화학적으로 개량형들의 블렌드(blend)로 제조되는, 유합 필터.
  13. 제1항 내지 제12항에 있어서,
    상기 유합 필터는 상기 1차 유합 매개물의 상부 표면을 따라 및 상기 상부 표면에 인접한 보호 물질의 층을 포함하고, 상기 1차 유합 매개물의 상부 표면을 따라 상기 유체는 상기 1차 유합 매개물로 공급되는, 유합 필터.
  14. 제1항 내지 제13항에 있어서,
    상기 1차 유합 매개물은 습윤성 또는 비습윤성, 소수성, 친수성, 내유성 또는 친유성 섬유 물질들 또는 둘 이상의 상기 물질들의 블렌드의 군으로부터 선택된 물질로부터 제조되는, 유합 필터.
  15. 제1항 내지 제14항에 있어서,
    상기 1차 유합 매개물은 친유성 또는 내유성 섬유 물질 또는 상기 물질들의 블렌드로부터 제조되는, 유합 필터.
  16. 제1항 내지 제15항에 따른 유합 필터 내에 사용하기 위한 제1항 내지 제15항에 따른 유합 매개물.
  17. 운반체 및 적어도 하나의 오염물질을 포함하는 유체를 정화하기 위한 방법에 있어서,
    상기 유합 필터 내에 상기 오염물질을 유합함으로써 상기 적어도 하나의 오염물질의 농도를 감소시키기 위하여, 상기 유체는 제1항 내지 제15항에 따른 유합 필터를 통하여 전달되는, 운반체 및 적어도 하나의 오염물질을 포함하는 유체를 정화하기 위한 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 유체는 하나 이상의 탄화수소들, 오염된 물 또는 오염된 탄화수소들과 함께 오염된 압축 공기의 군으로부터 선택되는, 운반체 및 적어도 하나의 오염물질을 포함하는 유체를 정화하기 위한 방법.
  19. 제17항 또는 제18항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 오염물질은 액체들, 에어로졸들, 매크로드롭들 또는 둘 이상의 상기 물질들의 혼합물(mixture)들의 군에 속하는, 운반체 및 적어도 하나의 오염물질을 포함하는 유체를 정화하기 위한 방법.
  20. 제17항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유합 필터로 유체의 공급은 연속적인, 운반체 및 적어도 하나의 오염물질을 포함하는 유체를 정화하기 위한 방법.
  21. 제17항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유체의 적어도 일부는 1 내지 90°의 각도에서 상기 유합 매개물로 공급되는, 운반체 및 적어도 하나의 오염물질을 포함하는 유체를 정화하기 위한 방법.
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